邱海濤，孫明志，丁航行，吳榮高，楊潘磊

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司， 江蘇 南京 210041；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

基于RFID技術(shù)的工業(yè)放出體形態(tài)測(cè)定方法

邱海濤1，孫明志2，丁航行2，吳榮高1，楊潘磊1

(1.南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司， 江蘇 南京 210041；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

隨著梅山鐵礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的加大，為了控制礦石損失貧化，需研究測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)放出體形態(tài)。為了準(zhǔn)確測(cè)定放出體形態(tài)，提出了在崩礦炮孔中間放置RFID無線射頻標(biāo)志物的方法。通過對(duì)不同型號(hào)的無線射頻芯片進(jìn)行測(cè)試與試驗(yàn)，最終確定EM9202電子標(biāo)簽作為標(biāo)志物內(nèi)置芯片，并進(jìn)行了抗爆破沖擊標(biāo)志物的制備及標(biāo)志物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。在-306 m水平4-5LS1進(jìn)路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)放出體測(cè)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用RFID技術(shù)的工業(yè)放出體形態(tài)測(cè)定方法可行、可靠，標(biāo)志物的回收達(dá)到了理想的效果，為下一步放出體形態(tài)的測(cè)定與分析提供了充足的數(shù)據(jù)。

無底柱分段崩落法；放出體形態(tài)；標(biāo)志物；測(cè)定方法

0 引 言

隨著梅山鐵礦開采水平的不斷下降，特別是進(jìn)入到二期延伸作業(yè)水平，無底柱分段崩落法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷增大，新的采礦階段將采用18 m×20 m的采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)。為此，為達(dá)到理想的損失貧化率，急需找到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)使放出體和殘留體的總體形態(tài)與崩落體形態(tài)相符[1-5]。為解決該難題，應(yīng)用實(shí)測(cè)研究現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)放出體形態(tài)的方法，確定出符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的散體流動(dòng)參數(shù)。有關(guān)無底柱分段崩落法工業(yè)放出體形態(tài)的測(cè)定，國(guó)內(nèi)外多在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬測(cè)定，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定較少，梅山鐵礦在2007年進(jìn)行了放出體形態(tài)測(cè)定試驗(yàn)[6]，但由于采用人工回收，未達(dá)到理想效果。國(guó)外Kiruna鐵礦在20世紀(jì)90年代初進(jìn)行過放出體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的試驗(yàn)工作，雖然描繪出了大致的放出體形態(tài)，但在放礦過程中放標(biāo)志物膠管發(fā)生鉆孔流動(dòng)，圈出的放出體形態(tài)類似于“指掌形”[7-9]。

本文借鑒以往的國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)不同芯片的挑選對(duì)比，找到適合在礦山復(fù)雜條件下能夠穩(wěn)定發(fā)射無線信號(hào)的RFID射頻芯片。采用該射頻芯片制作了能夠經(jīng)受爆破沖擊的標(biāo)志物，并在待崩落礦體中安置該型標(biāo)志物，回收測(cè)試表明該標(biāo)志物能夠完成放出體形態(tài)的測(cè)定。

1 標(biāo)志物的設(shè)計(jì)與制備

1.1 電子標(biāo)簽的選擇

標(biāo)志物中電子標(biāo)簽的選擇先后嘗試了3種，第一種如圖1(a)所示，礦山正在使用的電子標(biāo)簽，用作人員定位系統(tǒng)，比較方便采購，但經(jīng)前期地表測(cè)試，信號(hào)強(qiáng)度較弱。第二種如圖1(b)所示，CC2530電子標(biāo)簽，信號(hào)強(qiáng)度可以滿足要求，但耗電量較大。第三種如圖1(c)所示，EM9202電子標(biāo)簽，可調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，待機(jī)時(shí)間也最長(zhǎng)。

圖1 3種電子標(biāo)簽

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，第一種礦山使用的電子標(biāo)簽，能夠收到信號(hào)的極限埋深大概在0.5 m；第二種CC2530電子標(biāo)簽?zāi)軌蚪邮招盘?hào)的極限埋深在1 m左右。第三種EM9202電子標(biāo)簽，該型電子標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度和CC2530電子標(biāo)簽相當(dāng)，但耗電量較低，經(jīng)測(cè)試，該標(biāo)簽開啟高信號(hào)強(qiáng)度模式，可以使用4～5個(gè)月。測(cè)試結(jié)果說明第一種電子標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度較弱，不適合做標(biāo)志物的電子標(biāo)簽，而EM9202電子標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度能夠滿足試驗(yàn)的需求，可作為標(biāo)志物的電子標(biāo)簽。

1.2 標(biāo)志物的設(shè)計(jì)

以往傳統(tǒng)的標(biāo)志物多在橡膠管或者某些材質(zhì)上做標(biāo)記，在出礦過程中，用肉眼的方法進(jìn)行回收。該類型的標(biāo)志物存在勞動(dòng)強(qiáng)度較大、標(biāo)志物回收率低的缺點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)了一種能夠主動(dòng)發(fā)射識(shí)別信號(hào)的新型標(biāo)志物(見圖2)，該標(biāo)志物可克服以上缺點(diǎn)。

圖2 電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

該標(biāo)志物外部采用一種PP-R管材進(jìn)行保護(hù)，該管材外徑為50 mm，內(nèi)徑為40 mm。標(biāo)志物內(nèi)部安裝能夠發(fā)射識(shí)別信號(hào)的電子標(biāo)簽和電池，內(nèi)部剩余空間用柔性的玻璃膠進(jìn)行充填，以此緩沖爆破對(duì)電子標(biāo)簽和電池的沖擊。

1.3 標(biāo)志物的制備

采用焊接的方式使電池與EM9202電子標(biāo)簽連通，由于該標(biāo)簽的耗電量較低，所以采用該辦法使電池持續(xù)為標(biāo)志物供電，同時(shí)也確保了標(biāo)志物發(fā)射信號(hào)的連續(xù)性與穩(wěn)定性。在焊接完成后采用膠封的方式，使得電子標(biāo)簽不被破壞。制作完成的電子標(biāo)簽如圖3所示。

圖3 制作完成的電子標(biāo)簽

選定后將制作好的標(biāo)志物進(jìn)行了信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)試，在0.1 m到0.5 m的礦石埋深狀態(tài)下，仍然能夠保證一定的信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)埋深超過1 m時(shí)，監(jiān)測(cè)器不再能夠接受到標(biāo)志物發(fā)射的信號(hào)。該電子標(biāo)簽具有耗電量低的特點(diǎn)，在試驗(yàn)前可以提前完成標(biāo)志物的制備，使充填的玻璃膠進(jìn)行充分固化，達(dá)到最高的強(qiáng)度，具有良好的性能。制作好的標(biāo)志物如圖4所示。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及抗爆破沖擊試驗(yàn)

2.1 標(biāo)志物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

整個(gè)標(biāo)志物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)布置，各監(jiān)測(cè)器集中連接到485集線器上，然后由電腦通過集線器采集各監(jiān)測(cè)器上的數(shù)據(jù)(見圖5)。因此要編制相應(yīng)的軟件來逐一輪詢各讀卡器，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理。

圖4 制作完成的標(biāo)志物照片

圖5 標(biāo)志物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于標(biāo)志物的監(jiān)測(cè)，主要關(guān)注其3個(gè)數(shù)據(jù)值，即被讀卡器讀到的時(shí)間、卡號(hào)、讀卡器編號(hào)，有了這3個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)合鏟運(yùn)機(jī)上的射頻卡數(shù)據(jù)，就能將標(biāo)志物編號(hào)和出礦量進(jìn)行準(zhǔn)確的匹配。為了進(jìn)一步完善系統(tǒng)，若某張卡一直出現(xiàn)，要求每隔一秒重新生成一行數(shù)據(jù)，以進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)為了防止斷電等特殊情況的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)要隨時(shí)保存。采用Microsoft Visual C++ 軟件對(duì)標(biāo)志物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，經(jīng)過各種復(fù)雜情況的測(cè)試，如多標(biāo)志物同時(shí)出現(xiàn)、多標(biāo)志物高速移動(dòng)、多讀卡器同時(shí)監(jiān)測(cè)等，能夠完全滿足試驗(yàn)需要。

2.2 標(biāo)志物抗爆破沖擊試驗(yàn)

檢驗(yàn)標(biāo)志物的抗爆破沖擊性能，最直接的方法就是在回采爆破中進(jìn)行，在-303 m水平掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)道開口處，模擬了回采條件下的爆破環(huán)境，這樣便于標(biāo)志物的尋找回收。試驗(yàn)方案如圖6所示，在巷道邊壁上鉆鑿兩個(gè)炮孔和一個(gè)放標(biāo)志物的鉆孔，其中炮孔間距1.5 m，標(biāo)志物鉆孔與炮孔排面的垂直距離約0.8 m，標(biāo)志物放在標(biāo)志物鉆孔距孔口約1 m處。為了模擬擠壓爆破效果和防止標(biāo)志物炸飛，在炸藥和標(biāo)志物安放完畢后，并對(duì)爆破區(qū)域用礦石進(jìn)行掩埋。重點(diǎn)在于測(cè)試標(biāo)志物的管材能否經(jīng)得住爆破沖擊，電子元件是否有損傷以及爆破之后標(biāo)志物能否正常工作。

圖6 標(biāo)志物抗爆破性能測(cè)試方案

爆破后，到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)標(biāo)志物進(jìn)行了回收，通過對(duì)標(biāo)志物外表觀察發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志物只是多了一些摩擦痕跡，并沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，然后用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電子標(biāo)簽的信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示信號(hào)仍能夠正常發(fā)射。最后對(duì)標(biāo)志物進(jìn)行了拆解，以觀察內(nèi)部有沒有破壞，打開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部非常完整，說明采用PP-R管及玻璃膠澆注電子標(biāo)簽制備的標(biāo)志物能夠經(jīng)受住爆破的沖擊。

3 現(xiàn)場(chǎng)放出體測(cè)定試驗(yàn)

為了測(cè)定18 m×20 m采場(chǎng)結(jié)構(gòu)條件下的現(xiàn)場(chǎng)崩落放出體形態(tài)，試驗(yàn)采場(chǎng)選擇在-306 m水平4-5LS1-S5進(jìn)路，首次試驗(yàn)選擇在S1進(jìn)路，該進(jìn)路第9排與第10排炮孔布置如圖7所示 ，標(biāo)志物鉆孔布置在兩排炮孔中間。

圖7 S1進(jìn)路炮孔剖面圖

根據(jù)散體流動(dòng)參數(shù)試驗(yàn)確定的崩落放出體形態(tài)，制定出圖8所示的標(biāo)志物鉆孔布置方案，標(biāo)志物炮孔布置在兩排炮孔中間。

標(biāo)志物的布置主要根據(jù)測(cè)試出的崩落放出體形態(tài)，對(duì)散體流動(dòng)參數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)，對(duì)孔底位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，以確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理。共計(jì)布置了79個(gè)標(biāo)志物，其中1#孔15個(gè)，2#孔17個(gè)，3#孔19個(gè)，4#孔16個(gè)，5#孔12個(gè)。在隨后的回采過程中，共回收標(biāo)志物54個(gè)，但對(duì)于流動(dòng)性較好的中間三孔回收標(biāo)志物達(dá)47個(gè)，其回收率高達(dá)82%。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用EM9202射頻芯片制作的標(biāo)志物及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，性能可靠，能夠經(jīng)受現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的考驗(yàn)，可為下一步試驗(yàn)分析提供充足準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖8 標(biāo)志物炮孔布置方案

4 結(jié) 論

應(yīng)用RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了能夠自主發(fā)射無線信號(hào)的標(biāo)志物，該標(biāo)志物具有發(fā)射信號(hào)穩(wěn)定、時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，并使用Microsoft Visual C++ 軟件開發(fā)建立了一套完整的標(biāo)志物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)放出體測(cè)定試驗(yàn)表明，標(biāo)志物的回收達(dá)到了理想的效果，特別是流動(dòng)性較好的中間三孔的回收率更是高達(dá)82%，為下一步放出體形態(tài)的測(cè)定與分析提供了充足的數(shù)據(jù)，采用RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)的工業(yè)放出體形態(tài)測(cè)定方法是可行的。

[1]邱海濤,秦國(guó)保,吳榮高,等.梅山鐵礦大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的工業(yè)試驗(yàn)方案[J].采礦技術(shù),2015(02):20-21，73.

[2]吳榮高，安 龍，江 學(xué)，等.梅山鐵礦大結(jié)構(gòu)參數(shù)下合理崩礦步距研究[J].金屬礦山，2012(5)：5-12.

[3]王文杰，任鳳玉.無底柱分段崩落法礦石貧化原因分析[J].中國(guó)礦業(yè)，2008，17(3)：69-72.

[4]陶干強(qiáng)，劉振東，任鳳玉，等.無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010(8)：1269-1272.

[5]李文增，任鳳玉.弓長(zhǎng)嶺井下鐵礦崩礦步距優(yōu)化研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2008(6)：55-57.

[6]范慶霞.梅山鐵礦采用大型大間距采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的探討[J].礦業(yè)工程，2004，2(2)：25-28.

[7]郭 雷，熊靚輝.無底柱分段崩落法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)礦山工程，2010，39(6)：44-47.

[8]喬登攀，汪 亮，張宗生.無底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法研究[J].采礦技術(shù)，2006，6(3)：233-236.

[9]Melo F, Vivanco F, Fuentes C, et al. On draw body shapes: From Bergmark-Roos to kinematic models[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining,2007,44(1): 77-86.

2017-03-11)